Entwerfen eines digitalen EKG-Monitors und Schaltkreises - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:21

Dies ist kein Medizinprodukt. Dies dient nur zu Bildungszwecken mit simulierten Signalen. Wenn Sie diesen Stromkreis für echte EKG-Messungen verwenden, stellen Sie bitte sicher, dass der Stromkreis und die Stromkreis-zu-Gerät-Verbindungen geeignete Isolationstechniken verwenden

Ziel dieses Projekts ist es, eine Schaltung zu bauen, die ein EKG-Signal, auch Elektrokardiogramm genannt, verstärken und filtern kann. Ein EKG kann verwendet werden, um die Herzfrequenz und den Herzrhythmus zu bestimmen, da es in der Lage ist, die elektrischen Signale zu erkennen, die während der verschiedenen Phasen des Herzzyklus durch verschiedene Teile des Herzens gehen. Hier verwenden wir einen Instrumentenverstärker, Kerbfilter und einen Tiefpassfilter, um das EKG zu verstärken und zu filtern. Anschließend werden mit LabView die Schläge pro Minute berechnet und eine grafische Darstellung des EKGs angezeigt. Das fertige Produkt ist oben zu sehen.

Schritt 1: Instrumentenverstärker

Die notwendige Verstärkung für den Instrumentenverstärker beträgt 1000 V/V. Dies würde eine ausreichende Verstärkung des eingehenden Signals ermöglichen, das viel kleiner ist. Der Instrumentenverstärker ist in zwei Teile unterteilt, Stufe 1 und Stufe 2. Die Verstärkung jeder Stufe (K) sollte ähnlich sein, so dass bei Multiplikation die Verstärkung etwa 1000 beträgt. Die folgenden Gleichungen werden verwendet, um die Verstärkung zu berechnen.

K1 = 1 + ((2*R2)/R1)

K2 = -R4/R3

Aus diesen Gleichungen wurden die Werte von R1, R2, R3 und R4 gefunden. Um die in den Bildern zu sehende Schaltung aufzubauen, wurden drei uA741 Operationsverstärker und Widerstände verwendet. Die Operationsverstärker werden mit 15 V von einem DC-Netzteil versorgt. Der Eingang des Instrumentationsverstärkers wurde mit einem Funktionsgenerator verbunden und der Ausgang wurde mit einem Oszilloskop verbunden. Dann wurde ein AC-Sweep durchgeführt, und die Verstärkung des Instrumentation Amplifier wurde gefunden, wie auf dem Diagramm "Instrumentation Amplifier Gain" oben zu sehen ist. Schließlich wurde die Schaltung in LabView nachgebaut, wo eine Simulation der Verstärkung durchgeführt wurde, wie in der schwarzen Grafik oben zu sehen ist. Die Ergebnisse bestätigten, dass die Schaltung korrekt funktionierte.

Schritt 2: Kerbfilter

Der Notch-Filter wird verwendet, um Rauschen zu entfernen, das bei 60 Hz auftritt. Die Werte der Komponenten können mit den folgenden Gleichungen berechnet werden. Es wurde ein Qualitätsfaktor (Q) von 8 verwendet. C wurde angesichts der verfügbaren Kondensatoren gewählt.

R1 = 1/(2*Q*ω*C)

R2 = 2*Q/(ω*C)

R3 = (R1*R2)/(R1+R2)

Die Widerstands- und Kondensatorwerte wurden gefunden und die obige Schaltung aufgebaut, die berechneten Werte sind dort zu sehen. Der Operationsverstärker wurde von einem DC-Netzteil gespeist, wobei der Eingang mit einem Funktionsgenerator und der Ausgang mit einem Oszilloskop verbunden war. Das Ausführen eines AC-Sweeps führte zu dem obigen Diagramm "Notch Filter AC Sweep", das zeigt, dass eine Frequenz von 60 Hz entfernt wurde. Um dies zu bestätigen, wurde eine LabView-Simulation durchgeführt, die die Ergebnisse bestätigte.

Schritt 3: Tiefpassfilter

Es wird ein Butterworth-Tiefpassfilter zweiter Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 250 Hz verwendet. Um die Widerstands- und Kondensatorwerte aufzulösen, wurden die folgenden Gleichungen verwendet. Für diese Gleichungen wurde die Grenzfrequenz in Hz in rad/s geändert, was 1570,8 betrug. Es wurde eine Verstärkung von K = 1 verwendet. Die Werte für a und b wurden mit 1,414214 bzw. 1 geliefert.

R1 = 2 / (wc (a C2 + sqrt(a^2 + 4 b (K - 1)) C2^2 - 4 b C1 C2))

R2 = 1/ (b C1 C2 R1 wc^2)

R3 = K (R1 + R2) / (K - 1)

R4 = K (R1 + R2)

C1 = (C2 (a^2 + 4 b (K-1)) / (4 b)

C2 = (10 / fc)

Nachdem die Werte berechnet wurden, wurde die Schaltung mit den Werten aufgebaut, die in einem der obigen Bilder zu sehen sind. Es sollte beachtet werden, dass, da eine Verstärkung von 1 verwendet wurde, R3 durch einen offenen Stromkreis und R4 durch einen Kurzschluss ersetzt wurde. Nachdem die Schaltung zusammengebaut war, wurde der Operationsverstärker mit 15 V von einem DC-Netzteil versorgt. Analog zu den anderen Komponenten wurden Eingang und Ausgang mit einem Funktionsgenerator bzw. einem Oszilloskop verbunden. Es wurde ein Diagramm des AC-Sweeps erstellt, das oben im "Tiefpassfilter-AC-Sweep" zu sehen ist. Der Plot in Schwarz in der LabView-Simulation der Schaltung bestätigt unsere Ergebnisse.

Schritt 4: LabVIEW

Das im Bild gezeigte LabVIEW-Programm wird verwendet, um Schläge pro Minute zu berechnen und eine visuelle Darstellung des Eingangs-EKGs anzuzeigen. Der DAQ-Assistent erfasst das Eingangssignal und stellt die Sampling-Parameter ein. Der Wellenformgraph stellt dann die Eingaben dar, die der DAQ auf der Benutzeroberfläche empfängt, um sie dem Benutzer anzuzeigen. Die Eingabedaten werden mehrfach analysiert. Die Maximalwerte der Eingangsdaten werden mit dem Max/Min Identifier ermittelt und die Parameter zur Erkennung von Peaks werden mit Peak Detection eingestellt. Unter Verwendung eines Index-Arrays der Spitzenpositionen, der Zeit zwischen den durch die Zeitänderungskomponente angegebenen Maximalwerten und verschiedener arithmetischer Operationen wird der BPM berechnet und als numerische Ausgabe angezeigt.

Schritt 5: Abgeschlossener Stromkreis

Nachdem alle Komponenten angeschlossen waren, wurde das Gesamtsystem mit einem simulierten EKG-Signal getestet. Dann wurde die Schaltung verwendet, um ein menschliches EKG zu filtern und zu verstärken, wobei die Ergebnisse durch das oben genannte LabView-Programm angezeigt wurden. Elektroden wurden am rechten Handgelenk, am linken Handgelenk und am linken Knöchel angebracht. Das linke Handgelenk und das rechte Handgelenk wurden mit den Eingängen des Instrumentenverstärkers verbunden, während der linke Knöchel mit Masse verbunden war. Der Ausgang des Tiefpassfilters wurde dann mit dem DAQ Assistant verbunden. Unter Verwendung des gleichen LabView-Blockdiagramms von zuvor wurde das Programm ausgeführt. Beim Durchlaufen des menschlichen EKGs war am Ausgang des gesamten Systems ein klares und stabiles Signal zu sehen, das im obigen Bild zu sehen ist.